基于快速成型的人工生物活性骨骼的复合制造方法技术

本发明专利技术公开了一种基于快速成型的人工生物活性骨骼的复合制造方法，它是用ＣＴ数据建立骨骼三维ＣＡＤ内部微结构和外形模型；用快速成型技术制造出骨骼微结构和外形的负型；植入生物因子或细胞；加入钛纤维以增强力学性能；填充生物骨骼材料；制造出人工替代骨。该方法具有个体适配性强；制造速度快；生物相溶性好；材料适用面宽；生物因子和生物细胞复合植入；骨骼植入后成活率；是工程化制造活性骨骼的有效途径。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于制造领域的医疗修复工程，特别涉及一种。快速原型制造技术(Rapid Prototyping & Manufacturing，简称RPM)是采用材料累加成型原理，无需刀具、工装，通过多种途径形成三维实体，它能以最快的速度将设计思想物化为具有一定结构功能的产品原型直接制造零件，从而使产品设计开发可能进行快速评价、测试、改进，以完成设计制造过程，适应市场需求，是一种极富生命力的制造业发展方向，而且快速原型制造技术适宜于单位或小批量生产、制造周期短、不需要复杂的模具就可以达到较高精度的尺寸外形。目前已开发出的快速成形方法主要有光固化法(Stereolithography)、层叠法(LOM)、烧结法(SLS)、熔焊法(FDM)、3D印刷法(3D-Printer)等。由于目前用于快速成型制造方法的生物可降解的生物活性材料不经过烧结不具备足够的强度，所以一般的快速成型制备人工骨骼的方法均需烧结。高温烧结，使得骨生长因子细胞不能生存。所以，骨生长因子细胞一般是采用烧结后，把固化后的人工生物活性骨骼在适当浓度的含有骨生长因子细胞的液体中浸泡，一定时间后，骨生长因子细胞将进入人工骨骼内部。但是，由于骨生长因子细胞要进入人工骨骼内部，需要较长时间，而且不宜渗入内部，限制了其使用范围。为达到上述目的本专利技术采用的技术方案是(1)人造骨的仿生CAD设计a、骨骼外形CAD设计，通过CT特征断面测量或外表面测量，用特征数据点重构骨骼外形的三维CAD，并将其以STL数据格式表达；b、骨骼内部骨髓腔的三维CAD设计，若基于CT断面数据，可以用重构的方法构造骨髓腔CAD，若基于外表面的测量数据，可以利用外表面形状建立数学模型来构造骨髓腔的CAD；c、骨骼骨质组织的CAD设计，通过电子显微镜观察骨骼微孔的尺寸以及分布规律，建立骨质组织微结构数学模型，构造骨骼的三维CAD，保证微孔空间完全导通； d、通过以上三部分的仿生CAD建模设计，将外形CAD与内部CAD复合起来，构造出完整的骨骼CAD；(2)成型系统a、以乳化糖作成型材料用熔融沉积的方法制造人工骨的反形(负型)；b、对三维CAD数据进行分层处理，用分层制造的方法快速成型出骨骼外形和内部微结构的负型(反形)；c、制作一个带有可控加热系统的加压容器，容器底部开一个0.2mm的材料压出孔，孔由电控开关控制开闭；d、将整个系统安装在X-Y工作台上，有一个可以在Z方向运动的成型平台，组成一个分层成型系统，将乳化糖装入加压容器实现分层制造；(3)成型工艺将乳化糖装入加压容器中，将加压容器的温度控制在80-120℃、压力控制在0.8Pa-1Pa来控制乳化糖的流动性和塑性，乳化糖在加热后达到融化状态后由材料压出孔压出，研究乳化糖压出速度和X-Y运动速度与乳化糖成丝直径的关系，以便通过速度来控制不同导管的直径，骨外形和骨髓腔通过常规的逐层制造方法实现；(4)骨生长因子和成骨细胞的复合将骨生长因子制成悬液，加入成骨细胞，制成生物活性剂，在无菌条件下将生物活性剂温度准确地控制在36℃～38℃，以保证成骨细胞的活性，将生物活性剂倒入成型好的骨型腔中培养，以便于骨生长因子和成骨细胞能够吸附到导管架上，然后，再将生物活性剂倒出来，使骨生长因子能保留在导管架上，成为植入人工骨的活性物质；(5)复合成骨制造工艺为提高骨的强度，先在骨骼中插入钛纤维，作为加强筋复合在骨中间，以提高替代骨的整体强度，用自凝固羟基磷酸钙均匀后倒入经生物复合后的乳化糖骨负型腔中，逐步填实，待凝固后，用36℃～38℃的蒸馏水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羟基磷酸钙人工骨呈现出来。本专利技术的另一特点是熔融沉积的方法制造人工骨的反形(负型)，是将骨外形实体封闭，内部由骨髓体和微孔及其通管构成的实体网架，形成网状的空腔结构。本专利技术针对人体骨骼的内径结构，利用医用CT机获取的骨骼断层数据。经过人工骨的仿生CAD建模技术的加工和处理，建立内孔模型，经过分层、加支撑等数据处理，在快速成型机上采用特制的生物可降解材料制造出骨骼外形模具、内腔(骨髓腔)模具和人工骨骼内孔三维构架，同时，在成型过程中，植入骨生长因子等生物活性物质。在空隙出添入常温可成型生物可降解基体材料，制造出人工生物活性骨骼。这种方法达到了材料、成型、生物活性的统一。实施例2，1、人造骨的仿生CAD设计骨骼外形CAD设计，通过CT特征断面测量或外表面测量，用特征数据点重构骨骼外形的三维CAD，并将其以STL数据格式表达；骨骼内部骨髓腔的三维CAD设计，若基于CT断面数据，可以用重构的方法构造骨髓腔CAD，若基于外表面的测量数据，可以利用外表面形状建立数学模型来构造骨髓腔的CAD；骨骼骨质组织的CAD设计，通过电子显微镜观察骨骼微孔的尺寸以及分布规律，建立骨质组织微结构数学模型，构造骨骼的三维CAD，保证微孔空间完全导通；通过以上三部分的仿生CAD建模设计，将外形CAD与内部CAD复合起来，构造出完整的骨骼CAD；2、成型系统以乳化糖作成型材料用熔融沉积的方法制造人工骨的反形(负型)，熔融沉积的方法是将骨外形实体封闭，内部由骨髓体和微孔及其通管构成的实体网架，形成网状的空腔结构；对三维CAD数据进行分层处理，用分层制造的方法快速成型出骨骼外形和内部微结构的负型(反形)；制作一个带有可控加热系统的加压容器，容器底部开一个0.2mm的材料压出孔，孔由电控开关控制开闭；将整个系统安装在X-Y工作台上，有一个可以在Z方向运动的成型平台，组成一个分层成型系统，将乳化糖装入加压容器实现分层制造；3、成型工艺将乳化糖装入加压容器中，将加压容器的温度控制在120℃、压力控制在1Pa来控制乳化糖的流动性和塑性，乳化糖在加热后达到融化状态后由材料压出孔压出，研究乳化糖压出速度和X-Y运动速度与乳化糖成丝直径的关系，以便通过速度来控制不同导管的直径，骨外形和骨髓腔通过常规的逐层制造方法实现；4、骨生长因子和成骨细胞的复合将骨生长因子制成悬液，加入成骨细胞，制成生物活性剂，在无菌条件下将生物活性剂温度准确地控制在38℃，以保证成骨细胞的活性，将生物活性剂倒入成型好的骨型腔中培养，以便于骨生长因子和成骨细胞能够吸附到导管架上，然后，再将生物活性剂倒出来，使骨生长因子能保留在导管架上，成为植入人工骨的活性物质；5、复合成骨制造工艺为提高骨的强度，先在骨骼中插入钛纤维，作为加强筋复合在骨中间，以提高替代骨的整体强度，用自凝固羟基磷酸钙均匀后倒入经生物复合后的乳化糖骨负型腔中，逐步填实，待凝固后，用38℃的蒸馏水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羟基磷酸钙人工骨呈现出来。实施例31、人造骨的仿生CAD设计骨骼外形CAD设计，通过CT特征断面测量或外表面测量，用特征数据点重构骨骼外形的三维CAD，并将其以STL数据格式表达；骨骼内部骨髓腔的三维CAD设计，若基于CT断面数据，可以用重构的方法构造骨髓腔CAD，若基于外表面的测量数据，可以利用外表面形状建立数学模型来构造骨髓腔的CAD；骨骼骨质组织的CAD设计，通过电子显微镜观察骨骼微孔的尺寸以及分布规律，建立骨质组织微结构数学模型，构造骨骼的三维CAD，保证微孔空间完全导通；通过以上三部分的仿生CAD建模设计，将外形CAD与内部CAD本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于快速成型的人工生物活性骨骼的复合制造方法，其特征在于：（１）人造骨的仿生ＣＡＤ设计：ａ、骨骼外形ＣＡＤ设计，通过ＣＴ特征断面测量或外表面测量，用特征数据点重构骨骼外形的三维ＣＡＤ，并将其以ＳＴＬ数据格式表达；ｂ、骨骼内部 骨髓腔的三维ＣＡＤ设计，若基于ＣＴ断面数据，可以用重构的方法构造骨髓腔ＣＡＤ，若基于外表面的测量数据，可以利用外表面形状建立数学模型来构造骨髓腔的ＣＡＤ；ｃ、骨骼骨质组织的ＣＡＤ设计，通过电子显微镜观察骨骼微孔的尺寸以及分布规律，建立骨 质组织微结构数学模型，构造骨骼的三维ＣＡＤ，保证微孔空间完全导通；ｄ、通过以上三部分的仿生ＣＡＤ建模设计，将外形ＣＡＤ与内部ＣＡＤ复合起来，构造出完整的骨骼ＣＡＤ；（２）成型系统：ａ、以乳化糖作成型材料用熔融沉积的方法制造人工骨 的反形（负型）；ｂ、对三维ＣＡＤ数据进行分层处理，用分层制造的方法快速成型出骨骼外形和内部微结构的负型（反形）；ｃ、制作一个带有可控加热系统的加压容器，容器底部开一个０．２ｍｍ的材料压出孔，孔由电控开关控制开闭；ｄ、将整个系统安 装在Ｘ－Ｙ工作台上，有一个可以在Ｚ方向运动的成型平台，组成一个分层成型系统，将乳化糖装入加压容器实现分层制造；（３）成型工艺：将乳化糖装入加压容器中，将加压容器的温度控制在８０－１２０℃、压力控制在０．８Ｐａ－１Ｐａ来控制乳化糖的流 动性和塑性，乳化糖在加热后达到融化状态后由材料压出孔压出，研究乳化糖压出速度和Ｘ－Ｙ运动速度与乳化糖成丝直径的关系，以便通过速度来控制不同导管的直径，骨外形和骨髓腔通过常规的逐层制造方法实现；（４）骨生长因子和成骨细胞的复合：将骨生 长因子制成悬液，加入成骨细胞，制成生物活性剂，在无菌条件下将生物活性剂温度准确地控制在３６℃～３８℃，以保证成骨细胞的活性，将生物活性剂倒入成型好的骨型腔中培养，以便于骨生长因子和成骨细胞能够吸附到导管架上，然后，再将生物活性剂倒出来，使骨生长因子能保留在导管架上，成为植入人工骨的活性物质；（５）复合成骨制造工艺：为提高骨的强度，先在骨骼中插入钛纤维，作为加强筋复合在骨中间，以提高替代骨的整体强度，用自凝固羟基磷酸钙均匀后倒入经生物复合后的乳化糖骨负型腔中，逐步填实， 待凝固后，用３６℃～３８℃的蒸馏水溶解掉外部的乳化糖成型材料，使羟基磷酸钙人工骨呈现出来。...

【技术特征摘要】
1.一种基于快速成型的人工生物活性骨骼的复合制造方法，其特征在于(1)人造骨的仿生CAD设计a、骨骼外形CAD设计，通过CT特征断面测量或外表面测量，用特征数据点重构骨骼外形的三维CAD，并将其以STL数据格式表达；b、骨骼内部骨髓腔的三维CAD设计，若基于CT断面数据，可以用重构的方法构造骨髓腔CAD，若基于外表面的测量数据，可以利用外表面形状建立数学模型来构造骨髓腔的CAD；c、骨骼骨质组织的CAD设计，通过电子显微镜观察骨骼微孔的尺寸以及分布规律，建立骨质组织微结构数学模型，构造骨骼的三维CAD，保证微孔空间完全导通；d、通过以上三部分的仿生CAD建模设计，将外形CAD与内部CAD复合起来，构造出完整的骨骼CAD；(2)成型系统a、以乳化糖作成型材料用熔融沉积的方法制造人工骨的反形(负型)；b、对三维CAD数据进行分层处理，用分层制造的方法快速成型出骨骼外形和内部微结构的负型(反形)；c、制作一个带有可控加热系统的加压容器，容器底部开一个0.2mm的材料压出孔，孔由电控开关控制开闭；d、将整个系统安装在X-Y工作台上，有一个可以在Z方向运动的成型平台，组成一个分层成型系统，将乳化糖装入加压容器实现分层制造；(3)成型工艺将乳化糖装入加压容器中，将加压容...

【专利技术属性】
技术研发人员：李涤尘，卢秉恒，吴永辉，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]